In this paper, the Theory of Plastic Mechanism Control (TPMC) is applied to the seismic design of dual systems composed by moment-resisting frames and Chevron braced frames. The application of TPMC is aimed at the design of dual systems able to guarantee, under seismic horizontal forces, the development of a collapse mechanism of global type. This design goal is of primary importance in seismic design of structures, because partial failure modes and soft-storey mechanisms have to be absolutely prevented due to the worsening of the energy dissipation capacity of structures and the resulting increase of the probability of failure during severe ground motions. With reference to the examined structural typology, diagonal and beam sections are assumed to be known quantities, because they are, respectively, designed to withstand the whole seismic actions and to withstand vertical loads and the net downward force resulting from the unbalanced axial forces acting in the diagonals. Conversely column sections are designed to assure the yielding of all the beam ends of moment-frames and the yielding and the buckling of tensile and compressed diagonals of the V-Braced part, respectively. In this work, a detailed designed example dealing with the application of TPMC to moment frame-chevron brace dual systems is provided with reference to an eight storey scheme and the design procedure is validated by means of non-linear static analyses aimed to check the actual pattern of yielding. The results of push-over analyses are compared with those obtained for the dual system designed according to Eurocode 8 provisions.
An unstiffened top and seat angle connection is a type of partially restrained connection that is suitable for low- and medium-rise steel buildings. The plastic moment resisting capacity of such connection is needed in practical design, in addition to the accurate prediction of the initial rotational stiffness. Therefore, most of the studies conducted for the mentioned connections were performed to predict the initial stiffness and the plastic moment resisting capacity with varying geometric properties. The main parameters of such experimental tests were the thickness and high-strength bolt gauge distance of AISC LRFD-type A top and seat angle connections. Based on the test results, the analytical model was also proposed in this study. The applicability of the proposed model was verified by comparing the test results from this study with those of other studies.
Electric pole foundations for overhead catenary system of railroad should be designed so that they may resist significant overturning moment but relatively small vertical forces. Also they should have proper shapes to be installed at restricted narrow areas adjacent to railroad track. In this paper the moment responses of rectangular pole foundations according to their shapes were investigated numerically. A three-dimensional finite element method was developed and verified so that the numerical behaviors of the foundation resisting the overturning moments were compared reasonably well with those from an existing real-scale load test. The influences of aspect ratio, varying section with depth and loading directions for rectangular section were investigated using the developed numerical method. From the numerical results, the optimized shapes of pole foundation for more effective and economic installation adjacent to railroad track are proposed.
This study presents a hunting search based optimum design algorithm for engineering optimization problems. Hunting search algorithm is an optimum design method inspired by group hunting of animals such as wolves, lions, and dolphins. Each of these hunters employs hunting in a different way. However, they are common in that all of them search for a prey in a group. Hunters encircle the prey and the ring of siege is tightened gradually until it is caught. Hunting search algorithm is employed for the automation of optimum design process, during which the design variables are selected for the minimum objective function value controlled by the design restrictions. Three different examples, namely welded beam, cellular beam and moment resisting steel frame are selected as numerical design problems and solved for the optimum solution. Each example differs in the following ways: Unlike welded beam design problem having continuous design variables, steel frame and cellular beam design problems include discrete design variables. Moreover, while the cellular beam is designed under the provisions of BS 5960, LRFD-AISC (Load and Resistant Factor Design-American Institute of Steel Construction) is considered for the formulation of moment resisting steel frame. Levy Flights is adapted to the simple hunting search algorithm for better search. For comparison, same design examples are also solved by using some other well-known search methods in the literature. Results reveal that hunting search shows good performance in finding optimum solutions for each design problem.
The design of structural frameworks for buildings is constantly evolving and is dependent on regional issues such as loading and constructability. One of the most promising recent developments for low to medium rise construction in terms of efficiency of construction, robustness and aesthetic appearance utilises concrete-filled steel tubular sections as the columns in a moment-resisting frame. These are coupled to rigid or semi-rigid connections to composite steel-concrete beams. This paper includes the results of a pilot experimental programme leading towards the development of economical, reliable connections that are easily constructed for this type of frame. The connections must provide the requisite strength, stiffness and ductility to suit gravity loading conditions as well as gravity combined with the governing lateral wind or earthquake loading. The aim is to develop connections that are stiffer, less expensive and easier to construct than those in current use. A proposed fabricated T-stub connection is to be used to connect the beam flanges and the column. These T-stubs are connected to the column using "blind bolts" with extensions, allowing installation from the outside of the tube. In general, the use of the extensions results in a dramatic increase in the strength and stiffness of the T-stub to column connection in tension, since the load is shared between membrane action in the tube wall and the anchorage of the bolts through the extensions into the concrete.
The use of box columns has been increased due to the rigidity in rigid orthogonal moment resisting frames. On the other hand, the installation and welding of necessary horizontal continuity plates inside the columns are both labor-consuming and costly tasks. Accordingly, in this paper, a new beam-to-box column connection by trapezoidal external stiffeners and horizontal bar mats is presented to provide seismic parameters. The proposed connection consists of eight external stiffeners in the level of beam flanges and five horizontal bar mats in Concrete Filled Tube (CFT) columns. The new connection effectively alleviates the stress concentration and moves the plastic hinge away from the column face by horizontal external stiffeners. In addition, the result shows that proposed connection has provided the required strength and rigidity of connection, so that the increased strength, 8.08% and rigidity, 3.01% are compared to connection with internal continuity plates, also the results indicate that this connection can offer appropriate ductility and energy dissipation capacity for its potential application in moment resisting frames in seismic region. As a result, the proposed connection can be a good alternative for connection with continuity plates.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.23
no.6
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pp.61-69
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2019
In this study, the flexural strength and curvature ductility factor of single and hybrid fiber reinforced ultra high strength concrete flexural members with conventional steel rebar were evaluated by experimental program with 3-UHSC beams. Test specimens were loaded by 4-pointed flexural loading. According to the test results, hybrid fiber reinforced UHPC test specimens had higher moment resisting capacity and ductility. For the safe design of hybrid fiber reinforced UHPC, test specimens were analyzed according to the sectional analysis method with material models suggested by K-UHPC design recommendation. Current K-UHPC design recommendation predict the moment resisting capacity of member conventionally and over-estimated the ductility.
This study presents an analytical investigation on the seismic response of a medium-rise buckling-restrained braced frame (BRBF) under the near-fault ground motions. A seven-story BRBF is designed as per the current code provisions for five different combinations of brace configurations and beam-column connections. Two types of brace configurations (i.e., Chevron and Double-X) are considered along with a combination of the moment-resisting and the non-moment-resisting beam-to-column connections for the study frame. Nonlinear dynamic analyses are carried out for all study frames for an ensemble of forty SAC near-fault ground motions. The main parameters evaluated are the interstory and residual drift response, brace displacement ductility, and plastic hinge mechanisms. Fragility curves are developed using log-normal probability density functions for all study frames considering the interstory drift ratio and residual drift ratio as the damage parameters. The average interstory drift response of BRBFs with Double-X brace configurations significantly exceeded the allowable drift limit of 2%. The maximum displacement ductility characteristics of BRBs is efficiently utilized under the seismic loading if these braces are arranged in the Double-X configurations instead of Chevron configurations in BRBFs located in the near-fault regions. However, BRBFs with the Double-X brace configurations exhibit the higher interstory drift and residual drift response under near-fault ground motions due to the formation of plastic hinges in the columns and beams at the intermediate story levels.
Results of an experimental program are presented in this paper for the influence of vertical load on the in-plane behavior of masonry infilled steel frames. Five half-scaled single-story, single-bay steel frame specimens were tested under cyclic lateral loading. The specimens included four infilled frames and one bare frame. Two similar specimens as well as the bare frame had moment-resisting steel frames, while the remaining two specimens had pinned steel frames. For each frame type, one specimen was tested under simultaneous vertical and lateral loading, whereas the other was subjected only to lateral loading. The experimental results show that the vertical load changes the cracking patterns and failure modes of the infill panels. It improves dissipated hysteresis energy and equivalent viscous damping. Global responses of specimens, including stiffness and maximum strength, do no change by vertical loading considerably. Regarding the ductility, the presence of vertical load is ignorable in the specimen with moment-resisting frame. However, it increases the ductility of the infilled pinned frame specimen, leading to an enhancement in the m-factor by at least 2.5 times. In summary, it is concluded that the influence of the vertical load on the lateral response of infilled frames can be conservatively ignored.
One of the methods to strengthen the structures against the seismic lateral loading is the employment of the composite columns. A concrete-filled tube (CFT) has the cumulative advantages of steel and concrete. Concrete-filled steel tube columns have been widely used in the moment-resisting frame (MRF) structures, located in both non-seismic zones and high-risk seismic zones. In this paper, the results of studies on two important seismic parameters of ductility and the response modification factor (RMF) of the MRFs with CFT columns are submitted. While the studies are carried out, the effects of span length-story height ratio, the strength of materials and seismic behavior of MRFs are considered. In this regard, the ductility, RMF and the strength of 36 models of the steel MRFs with CFTs are analyzed. The fiber plastic hinges numerical simulation and pushover analysis method are used in the calculations. Based on the obtained results, the RMFs suitable for the 5-, 10- and 15- story frames are proposed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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